Detecção e Diagnóstico de Falhas em Processos Industriais

Historicamente, os primeiros sistemas de detecção, diagnóstico e correção de falhas (FDDC,

Fault Detection, Diagnosis and Correction) eram muito simples, mas já apresentavam ganhos

materiais e humanos no processo de produção (Pietrosanto e Betta, 2000). Na indústria, as primeiras aparições, com essa denominação, datam de 1970 (Korbicz e Witczak, 2005). Com os avanços tecnológicos, os processos de produção se tornam cada vez mais complexos e, consequentemente, aumenta a demanda por sistemas de supervisão e proteção mais eficientes. Neste contexto, os modelos computacionais ditos “inteligentes” ganham destaques por apresentar “habilidades de aprendizado” e adequação às características intrínsecas do problema, principalmente, os modelos baseados em dados históricos da aplicação.

2.1.1 Supervisão e Proteção em Processos Industriais

Para Isermann e Balle (1997), o sucesso de um sistema de FDDC depende da qualidade da “supervisão” e “proteção” oferecidas pelo sistema como um todo. Na indústria, o objetivo principal da supervisão é evitar danos e acidentes. Para isso, é feito o monitoramento que determina de forma contínua e em tempo real o estado atual de funcionamento do sistema, incluindo, os estados não desejados e não permitidos. Os desvios do comportamento normal são distúrbios que podem resultar em eventos de falhas, ou de mau funcionamento do sistema ou processo. Também é função da supervisão a manutenção da operação mesmo na presença de falhas. Já a proteção representa a extinção de um comportamento indesejável e perigoso para a continuidade de funcionamento do “sistema físico” supervisionado. De modo ilustrativo, a Figura 2.1 (Adaptação de Andrade (2012)) mostra o esquema de um processo industrial supervisionado por um sistema de FDD acoplado, onde y é a variável de processo eé o valor de referência.

Figura 2.1: Processo Industrial com FDD Acoplado.

Para uma melhor compreensão dos processos de supervisão e proteção nos sistemas de FDDC, algumas classificações e definições importantes, tais como: “estados”, “funções”, “modelos” e “propriedades”, postas por D’Angelo et al., (2011),Isermann e Ballé, (1997), Sartori et al., (2011) eSilva, (2008), são apresentadas a seguir.

Os “estados” são sinais captados e apresentados por instrumentos de medições, dentre os quais se destacam:

• Faltas - interrupção permanente de uma habilidade do sistema de executar uma função requerida sob condição de operação especificada (D’Angelo et al., 2011);

• Falhas – desvio inesperado de uma propriedade característica ou de um parâmetro da sua

µ Controlador Componentesdo Processo Sensor y

Supervisão FDD Planta

condição usual ou aceitável que tende a degradar o desempenho geral do sistema Isermann e Ballé (1997). Para Sartori et al. (2011), uma falha é qualquer desvio de uma característica (de um sistema/processo) em relação aos seus requisitos, podendo, ou não, afetar a capacidade de desempenhar uma função requerida (ocasionar um evento de falha ou um evento de mau funcionamento);

• Mau funcionamento - apresentação de irregularidades na funcionalidade do sistema; • Erro - desvio entre um valor medido ou calculado (de uma variável de saída) e o valor

verdadeiro/especificado/teoricamente correto;

• Distúrbio - entradas desconhecidas e não controladas para o sistema;

• Perturbação - modificação temporária do estado atual provocada por entradas que têm poder de ação no sistema;

• Resíduo - desvio entre o valor de entrada e a saída do modelo matemático utilizado, comprova a existência ou não da falha;

• Sintoma - mudança continuada e observável do comportamento normal.

As “funções” são atividades desenvolvidas pelos sistemas para a detecção e o diagnóstico dos sinais(D’Angelo et al., 2011):

• Detecção de falha - determinação da presença de falhas em um sistema num dado instante de tempo;

• Isolamento de falha - determinação do tipo, da localização e do tempo da ocorrência de uma falha. Feita após a detecção de falha;

• Identificação da falha - determinação do tamanho e do comportamento, no tempo, de uma falha. Feita após a isolação (ou isolamento) de falha;

• Diagnóstico de falha - determinação do tipo, do tamanho, da localização e do tempo de uma falha. Feita após a detecção de falha. Inclui a isolação e a identificação de falha; • Monitoramento - verificação contínua e em tempo real das variáveis mensuráveis do

sistema, incluindo os estados não desejados e não permitidos e gerando alarmes quando os limites são ultrapassados;

• Supervisão - monitoramento e tomada de decisões apropriadas no intuito de manter a funcionalidade do sistema, mesmo na presença de falhas. A supervisão compreende as etapas de geração de atributos, detecção, avaliação, diagnóstico e classificação de falhas e tomada de decisões para a manutenção ou parada do sistema;

• Proteção - extinção de um comportamento perigoso de um sistema físico. A proteção automatizada inicia uma ação de segurança que mantém a funcionalidade do sistema ou o desligamento se houver risco eminente ao processo ou ambiente.

Os “modelos” são abordagens diferenciadas dos sistemas e podem ser classificados como: • Modelo Quantitativo - uso de relações estáticas e dinâmicas entre variáveis e parâmetros

do sistema a fim de descrever o comportamento dos sistemas em termos matemáticos; • Modelo Qualitativo - uso de relações estáticas e dinâmicas entre variáveis e parâmetros

do sistema a fim de descrever o comportamento dos sistemas em termos qualitativos, tais como relações causas/ efeitos através de regras se/ então, lógica fuzzy, dentre outras;

• Modelo de Diagnóstico - um conjunto de relações estáticas ou dinâmicas que ligam variáveis específicas da entrada (sintomas) às variáveis específicas de saída (falhas). As “propriedades do sistema” são habilidades apresentadas, dentre as quais se destacam:

• Confiabilidade - habilidade de um sistema de executar uma função requerida em condições indicadas por um período de tempo considerado;

• Disponibilidade - condição satisfatória de um equipamento ou sistema funcionar efetivamente em qualquer período de tempo;

• Segurança - habilidade de um sistema de não causar perigo para pessoas, equipamentos ou ambiente.

A Figura 2.2 mostra relações existentes entre alguns desses conceitos com riscos eminentes para um sistema ou processo de produção.

Figura 2.2: Conceitos Relacionados à Faltas e Falhas [adaptado de Silva (2008)]. Para Isermann (2006) a “falta” refere-se a um estado não desejado e com um leve desvio da condição normal do processo, embora a funcionalidade do sistema seja mantida. Já o termo “falha” corresponde a um estado não permitido e, consequentemente, se faz necessária a interrupção da funcionalidade do sistema. Independentemente de manutenção ou interrupção do processo, faltas e falhas são estados indesejados e ocorrem de forma inesperada. Por isso, os sistemas de FDDC devem apresentar habilidades de tolerância, de modo a evitar que faltas sejam transformadas em falhas. Isermann e Ballé (1997) definem uma falha como um desvio inesperado de um parâmetro ou propriedade característica do comportamento normal ou aceitável, mas que tende a degradar o desempenho geral do sistema. Para Sartori et al. (2011), a falha é o comprometimento parcial ou total dos requisitos de uma característica qualquer do sistema ou processo com a ocorrência do evento de mau funcionamento ou evento de falha, com a possibilidade de afetar o desempenho de uma função requerida.

Na supervisão de processos industriais, as falhas são avaliadas e classificadas em diversos aspectos, dentre os quais se destacam o “tempo” e a “localização”. Na questão “temporal”, as falhas podem ser classificadas como abruptas, incipientes ou intermitentes, conforme descrição abaixo e na Figura 2.3:

• Falhas abruptas - resultam em grandes desvios nas condições normais de operação ou variáveis do processo e acontecem em um curto espaço de tempo;

• Falhas incipientes - afetam gradualmente o funcionamento normal do processo e, geralmente, levam um tempo maior para serem detectadas;

• Falhas intermitentes - alternam com o passar do tempo e são causadas por perturbações periódicas ou cíclicas, caracterizando um cenário de falhas.

Região perigosa – segurança ativada

Performance inaceitável Performance degradada Performance desejada Falta Recuperação Falha

Figura 2.3: Evolução Temporal das Falhas – (a) Falhas Abruptas; (b) Falhas Incipientes e (c) Falhas Intermitentes [Adaptado de Andrade (2012)].

Quanto ao “local” de ocorrência, as falhas podem acontecer nos atuadores, componentes do sistema ou nos sensores (Chiang et al., 2001; Frank, 1990; Venkatasubramanian et al., 2003). Essas falhas são mostradas na Figura 2.4 e descritas no que se segue:

Figura 2.4: Classificação de Falhas quanto à Localização [Adaptado de Andrade (2012)]. • Falhas em atuadores ou sensores - ocorrem por mau funcionamento dos atuadores ou

sensores. Essas falhas configuram erros provocados por falhas físicas ou de equipamentos, desvios contínuos ou leituras fora dos padrões estabelecidos;

• Falhas no sistema dinâmico ou componente(s) do processo - são mudanças inaceitáveis nos parâmetros do processo, provocado por perturbações externas que alteram a relação original de entrada e saída do sistema. Como exemplo, alterações no coeficiente de transferência térmica de um trocador de calor devido a uma incrustação.

De acordo com as definições acima, Isermann (2006) define um sistema FDDC como um conjunto de técnicas utilizadas na supervisão de um processo para monitorar seu comportamento, prover informação acerca do mau funcionamento de seus componentes e permitir ações apropriadas para a manutenção da operação de modo a evitar perdas e acidentes. De forma similar, Sartori (2010) define um sistema FDDC como um conjunto de técnicas com o objetivo de estudar e desenvolver formas de assegurar o sucesso das operações planejadas através do reconhecimento de anormalidades no comportamento do processo e de ações de correção. Com essas definições apresentadas por Isermann (2006) e Sartori (2010), o atendimento desses requisitos técnicos é contemplado nas seguintes etapas:

a) Detecção - compreende a determinação da presença de falhas no sistema e do tempo de detecção;

b) Isolamento (classificação) - vem após a detecção e compreende a determinação do tipo, localização e tempo de ocorrência da falha;

c) Identificação (análise) - compreende a determinação do tamanho, da causa e do comportamento da falha com o tempo, avaliando a origem da falha e o seu impacto no

µ Controlador Componentesdo Processo Sensor y

Supervisão FDD Planta

sistema. As etapas de isolamento e identificação são englobadas pelo termo diagnóstico na sigla FDDC;

d) Correção (ou recuperação) - refere-se à tomada automática, ou não, de ações apropriadas para restabelecer o funcionamento esperado do sistema e/ou evitar possíveis perdas humanas, ambientais ou econômicas.

As etapas acima realizam a supervisão e monitoramento de um sistema de FDDC, provendo informações das condições de funcionamento dos componentes e ações apropriadas de manutenção operacional do sistema. Porém, as ações em nível de correção do sistema podem estar além dos interesses e condições do pesquisador. Além disso, para Isermann e Ballé (1997), num sistema de FDD a “detecção” consiste na determinação da presença de um comportamento indesejável ou inaceitável do sistema. O “diagnóstico” compreende no isolamento (classificação) e identificação (análise) das falhas detectadas. Nessa subdivisão, o isolamento da falha se volta para avaliação das características mais objetivas, tais como: tipo, localização e tempo de ocorrência das falhas. Enquanto na identificação são analisadas as características mais complexas, tais como: tamanho, causa e comportamento temporal, origem e impactos no sistema. Como os sistemas de FDD propostos neste trabalho realizam apenas a detecção e a classificação dos estados de operação considerados nas aplicações, eles podem ser definidos como sistemas de detecção e isolamento de falhas (FDI - Fault Detection and Isolation).